DE102009047405A1

DE102009047405A1 - Device for determining a process variable of a liquid in a process plant

Info

Publication number: DE102009047405A1
Application number: DE102009047405A
Authority: DE
Inventors: Jörg Uhle
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN102168993A; US20110072913A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einer Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße einer Flüssigkeit in einer Prozessanlage, welche mindestens eine Rohrleitung (3) aufweist, in welcher die Flüssigkeit zumindest zeitweise fließt, umfassend mindestens einen Sensor (1) und mindestens eine Kommunikationseinheit (2), wobei der Sensor (1) mindestens ein Sensorelement (11) zur Aufnahme von die Prozessgröße repräsentierenden Messdaten, eine erste Elektronikeinheit (12) zur Speicherung der mit dem Sensorelement (11) aufgenommenen Messdaten und eine erste Spulenanordnung (13) mit mindestes einer ersten Spule umfasst, wobei die Kommunikationseinheit (2) eine zweite Elektronikeinheit (22) und eine zweite Spulenanordnung (23) mit mindestens einer zweiten Spule umfasst, und wobei die erste Spulenanordnung (13) und die zweite Spulenanordnung (23) eine induktive Schnittstelle bilden, welche der Übertragung der Messdaten vom Sensor (1) zur Kommunikationseinheit (2) und/oder der Übertragung von Energie von der Kommunikationseinheit (2) zum Sensor (1) dient. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Sensor (1) in der Flüssigkeit frei beweglich ist.The invention relates to a device for determining a physical or chemical process variable of a liquid in a process plant, which has at least one pipeline (3) in which the liquid flows at least temporarily, comprising at least one sensor (1) and at least one communication unit (2), wherein the sensor (1) comprises at least one sensor element (11) for receiving measurement data representing the process variable, a first electronic unit (12) for storing the measured data recorded with the sensor element (11) and a first coil arrangement (13) with at least one first coil wherein the communication unit (2) comprises a second electronic unit (22) and a second coil arrangement (23) with at least one second coil, and wherein the first coil arrangement (13) and the second coil arrangement (23) form an inductive interface, which of the transmission the measured data from the sensor (1) to the communication unit (2) and / o which is used to transfer energy from the communication unit (2) to the sensor (1). The invention is characterized in that the sensor (1) is freely movable in the liquid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße einer Flüssigkeit in einer Prozessanlage, welche mindestens eine Rohrleitung aufweist, in welcher die Flüssigkeit zumindest zeitweise fließt, umfassend mindestens einen Sensor und mindestens eine Kommunikationseinheit, wobei der Sensor mindestens ein Sensorelement zur Aufnahme von die Prozessgröße repräsentierenden Messdaten, eine erste Elektronikeinheit zur Speicherung der mit dem Sensorelement aufgenommenen Messdaten und eine erste Spulenanordnung mit mindestes einer ersten Spule umfasst, wobei die Kommunikationseinheit eine zweite Elektronikeinheit und eine zweite Spulenanordnung mit mindestens einer zweiten Spule umfasst und wobei die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung eine induktive Schnittstelle bilden, welche der Übertragung der Messdaten vom Sensor zur Kommunikationseinheit und/oder der Übertragung von Energie von der Kommunikationseinheit zum Sensor dient. Unter einer Prozessanlage ist hierbei eine Kombination von Behältern und Rohrleitungen oder ein Rohrleitungssystem zu verstehen, wobei in der Prozessanlage eine oder mehrere Flüssigkeiten an einem chemischen oder physikalischen Prozess teilnehmen. Eine Spulenanordnung umfasst eine oder mehrere Spulen mit gleicher oder unterschiedlicher Anzahl an Windungen. Bei der zu bestimmenden Prozessgröße handelt es sich um eine oder mehrere der Größen Temperatur, pH-Wert, Redox-Potential, Trübung, Leitfähigkeit oder Stoffkonzentration.The present invention relates to a device for determining at least one physical or chemical process variable of a liquid in a process plant, which has at least one pipeline in which the liquid at least temporarily flows, comprising at least one sensor and at least one communication unit, wherein the sensor at least one sensor element for Recording of the process variable representing measurement data, a first electronic unit for storing the measured data recorded with the sensor element and a first coil arrangement comprising at least a first coil, wherein the communication unit comprises a second electronic unit and a second coil arrangement having at least one second coil and wherein the first coil arrangement and the second coil arrangement form an inductive interface, which is the transmission of the measurement data from the sensor to the communication unit and / or the transmission of energy from the commun ikationseinheit serves to the sensor. A process plant here is to be understood as a combination of containers and pipelines or a piping system, wherein one or more liquids participate in a chemical or physical process in the process plant. A coil assembly comprises one or more coils with the same or different number of turns. The process variable to be determined is one or more of the variables temperature, pH, redox potential, turbidity, conductivity or substance concentration.

Aus dem Stand der Technik sind zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen von Flüssigkeiten Sensoren bestehend aus einem Sensorelement und einem Gehäuse bekannt, welche über einen Prozessanschluss in die Rohrleitung oder den Behälter mit der Flüssigkeit eingebracht werden. Hierbei ragt das Sensorelement in die Rohrleitung oder den Behälter hinein, während sich das Gehäuse außerhalb des Prozesses befindet. Besonders vorteilhaft sind Sensoren, welche die Messdaten über eine galvanisch getrennte Schnittstelle an eine übergeordnete Einheit weiterleiten. Derartige Sensoren mit einer induktiven Schnittstelle werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Memosens in einer großen Vielzahl an Ausgestaltungen für diverse Prozessgrößen angeboten und vertrieben.For the determination of physical or chemical process variables of liquids, sensors consisting of a sensor element and a housing are known from the prior art which are introduced into the pipeline or the container with the liquid via a process connection. In this case, the sensor element projects into the pipeline or the container while the housing is outside the process. Particularly advantageous are sensors that forward the measurement data via a galvanically isolated interface to a higher-level unit. Such sensors with an inductive interface are offered and distributed by the applicant under the name Memosens in a wide variety of configurations for various process variables.

Bei großen Prozessanlagen muss eine entsprechend große Anzahl an Sensoren installiert werden, um in allen notwendigen Bereichen die gewünschten Prozessgrößen bestimmen zu können. Hieraus ergibt sich zum einen der Nachteil, dass eine entsprechend hohe Anzahl an Prozessanschlüssen erforderlich ist. Diese stellen ein Risiko bezüglich Dichte und Hygiene dar, was vor allem in pharmazeutischen oder lebensmitteltechnischen Prozessanlagen problematisch ist, da diese hohen hygienischen Standards entsprechen müssen. Zum anderen bringt eine hohe Anzahl an Sensoren entsprechend hohe Kosten mit sich.In large process plants, a correspondingly large number of sensors must be installed in order to be able to determine the desired process variables in all necessary areas. This results on the one hand the disadvantage that a correspondingly high number of process connections is required. These pose a risk in terms of density and hygiene, which is particularly problematic in pharmaceutical or food processing equipment, since they must meet high hygienic standards. On the other hand brings a high number of sensors correspondingly high costs.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße einer Flüssigkeit an mehreren Orten innerhalb eines Prozesses bereit zu stellen.The object of the invention is to provide an inexpensive device for determining a physical or chemical process variable of a liquid at several locations within a process.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Sensor in der Flüssigkeit frei beweglich ist, dass der Sensor ein geschlossenes Gehäuse aufweist, welches zumindest abschnittsweise einen Werkstoff aufweist, der für Magnetfelder durchlässig ist, dass der Sensor einen Energiespeicher enthält, welcher die Energieversorgung des Sensorelements und der ersten Elektronikeinheit sicherstellt, dass die Kommunikationseinheit ein Rohrsegment aufweist, welches in die Rohrleitung eingefügt ist, und welches zumindest in einem Teilbereich einen Werkstoff aufweist, welcher für Magnetfelder durchlässig ist, und dass die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung derart ausgestaltet sind, dass die induktive Schnittstelle zumindest zeitweise hergestellt ist, wenn sich der Sensor in dem Rohrsegment befindet.The object is achieved in that the sensor is freely movable in the liquid, that the sensor has a closed housing, which has at least partially a material which is permeable to magnetic fields, that the sensor contains an energy storage, which the power supply of the sensor element and the first electronic unit ensures that the communication unit has a tube segment which is inserted into the pipeline, and which has a material which is permeable to magnetic fields at least in a partial region, and in that the first coil arrangement and the second coil arrangement are configured such that the inductive interface is made at least temporarily when the sensor is in the pipe segment.

Der Sensor wird bevorzugt mit der Flüssigkeit mitbewegt, sodass er dem Prozessfluss folgt und im Falle eines Kreislaufs diesen Kreislauf wiederholt durchläuft. Der Sensor gelangt somit in jeden Bereich der Prozessanlage, in welchen auch die Flüssigkeit gelangt. Auf diese Weise können in diesen Bereichen Messdaten aufgenommen werden, ohne dass jeder Bereich separat mit einem fest installierten Sensorelement ausgestattet sein muss. Dies spart zum einen Kosten und vermeidet zum anderen die Anbringung von Prozessanschlüssen, welche beispielsweise in der Lebensmittelindustrie hygienische Risikofaktoren darstellen. Während sich der Sensor in der Kommunikationseinheit befindet, werden die im Sensor gespeicherten Messdaten an die Elektronikeinheit der Kommunikationseinheit übertragen, der Energiespeicher des Sensors wieder aufgeladen, und/oder Parametrierdaten an den Sensor übertragen. Die erste Elektronikeinheit ist beispielsweise so ausgestaltet, dass sie die Messdaten nicht nur speichert, sondern auch bearbeitet, auswertet und ggf. aussortiert, sodass die Übertragung einer reduzierten Menge an Daten über die induktive Schnittstelle ermöglicht ist, was den Vorteil einer kürzeren Verweildauer des Sensors in dem Rohrsegment der Kommunikationseinheit bietet. Die erste Spulenanordnung des Sensors ist im einfachsten Fall eine ringförmige erste Spule. Die zweite Spulenanordnung der Kommunikationseinheit besteht beispielsweise aus einer zweiten Spule, welche das Rohrsegment radial umgibt. Bevorzugt enthält die zweite Spulenanordnung mehrere Spulenpaare unterschiedlicher Ausrichtung, sodass der Sensor unabhängig von dessen Orientierung im Rohrsegment das Magnetfeld der zweiten Spulenanordnung empfängt. Der Energiespeicher ist beispielsweise eine Batterie, ein Akkumulator, oder ein Kondensator.The sensor is preferably moved along with the liquid, so that it follows the process flow and, in the case of a cycle, runs through this cycle repeatedly. The sensor thus reaches every area of the process plant in which the liquid also passes. In this way, measurement data can be recorded in these areas, without each area having to be equipped separately with a permanently installed sensor element. This saves on the one hand costs and on the other hand avoids the attachment of process connections, which represent hygienic risk factors, for example in the food industry. While the sensor is located in the communication unit, the measurement data stored in the sensor are transmitted to the electronics unit of the communication unit, the energy storage of the sensor is recharged, and / or transmit parameterization data to the sensor. The first electronic unit, for example, is designed so that it not only stores the measured data, but also processes, evaluates and possibly sorted out, so that the transmission of a reduced amount of data via the inductive interface is possible, which has the advantage of a shorter residence time of the sensor in offers the pipe segment of the communication unit. The first coil arrangement of the sensor is in the simplest case an annular first coil. The second coil arrangement of the communication unit consists for example of a second coil which radially surrounds the tube segment. The second coil arrangement preferably contains several Coil pairs of different orientation, so that the sensor receives the magnetic field of the second coil assembly regardless of its orientation in the pipe segment. The energy store is, for example, a battery, an accumulator, or a capacitor.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Gehäuse des Sensors mindestens eine Öffnung aufweist, über welche das Sensorelement zur Aufnahme der Messdaten in physischem und/oder optischem Kontakt mit der Flüssigkeit steht, wobei die Öffnung derart ausgestaltet ist, dass ein Eindringen der Flüssigkeit in den Sensor verhindert ist.A first embodiment of the invention includes that the housing of the sensor has at least one opening, via which the sensor element for receiving the measurement data is in physical and / or optical contact with the liquid, wherein the opening is configured such that an ingress of the liquid in the sensor is prevented.

Die Öffnung ist beispielsweise ein Fenster, durch welches Licht vom Sensor in das umliegende Medium ausgesendet werden und Streulicht eintreten kann. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einem Trübungssensor von Vorteil. In einer anderen Ausgestaltung ist die Öffnung eine Ausnehmung in dem Gehäuse des Sensors, wobei hinter der Ausnehmung das Sensorelement liegt. Beispielsweise ist das Sensorelement eine Elektrode, welche auf diese Weise in Kontakt mit der umliegenden Flüssigkeit gelangt und eine chemische Eigenschaft wie deren pH-Wert bestimmt.The opening is, for example, a window through which light can be emitted by the sensor into the surrounding medium and scattered light can enter. This embodiment is particularly advantageous in the case of a turbidity sensor. In another embodiment, the opening is a recess in the housing of the sensor, wherein behind the recess, the sensor element is located. For example, the sensor element is an electrode which in this way comes into contact with the surrounding liquid and determines a chemical property such as its pH.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Kommunikationseinheit eine Aufhalte-/Freigabevorrichtung auf, welche den Sensor zur Übertragung von Parametrierdaten und/oder von Energie und/oder von Messdaten in dem Rohrsegment der Kommunikationseinheit hält, und welche den Sensor wieder frei gibt, wenn die Übertragung der Parametrierdaten und/oder der Energie und/oder der Messdaten abgeschlossen ist.In accordance with a further embodiment of the device according to the invention, the communication unit has a hold-open / release device, which holds the sensor for transmitting parameterization data and / or energy and / or measurement data in the pipe segment of the communication unit, and which releases the sensor again, if the transmission of the parameterization data and / or the energy and / or the measured data is completed.

Wird der Sensor mit dem flüssigen Medium mitbewegt, verweilt er nur über eine gewisse Zeitdauer in dem Rohrsegment der Kommunikationseinheit, sodass die Zeit, während derer ein Daten- oder Energietransfer möglich ist, beschränkt ist. Je schneller die Flüssigkeit fließt, desto kürzer ist die zur Verfügung stehende Zeit. Die Aufhalte-/Freigabevorrichtung hat daher die Aufgabe, den Sensor so lange in dem Rohrsegment fest zu halten, bis der Transfer abgeschlossen ist. Beispielsweise besteht die Aufhalte-/Freigabevorrichtung aus Klappen, welche den Rohrdurchmesser verringern und ein Passieren des Sensors somit verhindern. Die Steuerung der Aufhalte-/Freigabevorrichtung ist beispielsweise durch die zweite Elektronikeinheit möglich, welche durch die Wechselwirkung der zweiten Spulenanordnung mit der ersten Spulenanordnung im Sensor dessen Anwesenheit detektiert und die Aufhaltevorrichtung aktiviert, falls eine Übertragung von Energie oder Daten notwendig ist.If the sensor is moved with the liquid medium, it only lingers in the pipe segment of the communication unit over a certain period of time, so that the time during which data or energy transfer is possible is limited. The faster the fluid flows, the shorter the time available. The holding / releasing device therefore has the task of holding the sensor in the tube segment until the transfer is complete. For example, the containment / release device consists of flaps which reduce the tube diameter and thus prevent the sensor from passing. The control of the holding / releasing device is possible, for example, by the second electronic unit, which detects the presence of the interaction of the second coil arrangement with the first coil arrangement in the sensor and activates the holding device, if a transfer of energy or data is necessary.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die zweite Spulenanordnung derart ausgestaltet ist, dass die Übertragung der Messdaten und/oder der Energie ermöglicht ist, während sich der Sensor durch das Rohrsegment bewegt. Bewegt sich die Flüssigkeit und somit der Sensor nur mit einer geringen Geschwindigkeit durch das Rohrsegment, ermöglicht es eine ausreichend lange zweite Spulenanordnung, dass der Sensor zum Energie- und/oder Datentransfer nicht von einer entsprechenden Vorrichtung gestoppt werden muss.A further embodiment provides that the second coil arrangement is designed such that the transmission of the measured data and / or the energy is made possible while the sensor moves through the pipe segment. Moving the liquid and thus the sensor only with a low speed through the pipe segment, allows a sufficiently long second coil assembly that the sensor for energy and / or data transfer does not have to be stopped by a corresponding device.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Rohrleitung einen Ausweichkanal auf, welcher im Wesentlichen parallel zum Rohrsegment der Kommunikationseinheit verläuft und welcher derart ausgestaltet ist, dass ein Eintreten des Sensors in den Ausweichkanal verhindert ist und dass die Flüssigkeit zumindest dann durch den Ausweichkanal fließt, wenn sich der Sensor in dem Rohrsegment der Kommunikationseinheit befindet. Befindet sich der Sensor im Rohrsegment der Kommunikationseinheit, ist der für die Flüssigkeit verfügbare Rohrquerschnitt im Bereich des Sensors verringert. Bei manchen Anwendungen ist dies nicht zulässig, sodass in diesem Fall ein Ausweichkanal vorgesehen ist, durch welchen die Flüssigkeit neben dem Rohrsegment fließen kann. Beispielsweise öffnet ein Ventil diesen Ausweichkanal beim Eintritt des Sensors in das Rohrsegment der Kommunikationseinheit und schließt ihn wieder, sobald der Sensor wieder aus dem Rohrsegment ausgetreten ist.According to an advantageous embodiment, the pipeline has an escape channel, which runs essentially parallel to the pipe segment of the communication unit and which is configured such that entry of the sensor into the escape channel is prevented and that the liquid at least then flows through the escape channel when the Sensor is located in the pipe segment of the communication unit. If the sensor is located in the pipe segment of the communication unit, the available pipe cross-section in the area of the sensor is reduced. In some applications, this is not permitted, so that in this case an escape channel is provided, through which the liquid can flow next to the pipe segment. For example, a valve opens this escape channel at the entrance of the sensor in the pipe segment of the communication unit and closes it again as soon as the sensor has exited the pipe segment again.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Kommunikationseinheit über eine Ein- und/oder Ausschleusvorrichtung, über welche der Sensor in die Prozessanlage einbringbar und/oder aus der Prozessanlage ausbringbar ist. Bei der Ein- und/oder Ausschleusvorrichtung handelt es sich bevorzugt um zwei Rohrabschnitte, welche von dem Rohrsegment, einer Rohrleitung oder einem anderen Teil der Prozessanlage abzweigen und gegenüber dem entsprechenden Teil der Prozessanlage abgedichtet sind, beispielsweise durch eine Schiebe- oder Klappvorrichtung. Ist beispielsweise ein Sensortausch oder das Einbringen eines weiteren Sensors notwendig, wird der betroffene Rohrabschnitt zum Prozess hin geöffnet, sodass der neue Sensor eingebracht oder der auszutauschende Sensor aus der Rohrleitung ausgebracht werden kann. Ein Sensortausch, bzw. das Ein- oder Ausbringen von Sensoren ist somit ohne einen Eingriff in den Prozess möglich.In a further advantageous embodiment, the communication unit has an input and / or outfeed device, via which the sensor can be introduced into the process installation and / or can be brought out of the process installation. The inlet and / or outfeed device are preferably two pipe sections which branch off from the pipe segment, a pipeline or another part of the process plant and are sealed off from the corresponding part of the process plant, for example by a sliding or folding device. For example, if a sensor replacement or the introduction of another sensor necessary, the affected pipe section is opened to the process, so that the new sensor can be introduced or the sensor to be replaced can be discharged from the pipeline. A sensor exchange, or the insertion or removal of sensors is thus possible without intervention in the process.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens ein erster Sensor und ein zweiter Sensor in die Prozessanlage eingebracht und der erste Sensor und der zweite Sensor nehmen redundante Messdaten auf oder nehmen zu einem Zeitpunkt der Messdatenaufnahme jeweils an unterschiedlichen Orten in der Prozessanlage Messdaten auf.In a further embodiment of the device according to the invention at least a first sensor and a second sensor are introduced into the process plant and the first sensor and the second sensor take redundant measurement data or take at a time of Measurement data recording at different locations in the process plant Measurement data on.

Zur redundanten Datennahme ist es möglich, mehrere Sensoren gleichzeitig in den Prozess einzubringen, sodass sie benachbart im Medium treiben und im selben Bereich der Prozessanlage Messdaten aufnehmen. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Sensoren voneinander beabstandet in den Prozess einzubringen, sodass gewährleistet ist, dass die in einem Bereich der Prozessanlage vorliegende Prozessgröße in bestimmten Intervallen bestimmt wird. Das Auslesen der Messdaten der Sensoren kann in derselben Kommunikationseinheit erfolgen.For redundant data acquisition, it is possible to introduce several sensors simultaneously in the process, so that they drive adjacent to the medium and record measured data in the same area of the process plant. It is also possible to introduce several sensors into the process at a distance from one another, so that it is ensured that the process variable present in a region of the process installation is determined at specific intervals. The readout of the measured data of the sensors can take place in the same communication unit.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung mindestens eine erste Kommunikationseinheit und mindestens eine zweite Kommunikationseinheit aufweist, welche der Sensor auf einem vorgegebenen Weg passiert, sodass aus der Zeitdauer, welche zwischen dem Passieren der ersten Kommunikationseinheit und dem Passieren der zweiten Kommunikationseinheit liegt, die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmbar ist. Da der Sensor mit der Flüssigkeit mitbewegt wird, ist durch die Bestimmung der Geschwindigkeit des Sensors über die Zeitdauer, die der Sensor benötigt um von einer ersten zu einer zweiten Kommunikationseinheit zu gelangen, auch die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in diesem Abschnitt der Prozessanlage gegeben. Weiterhin ist durch die zweite Kommunikationseinheit die Strömungsrichtung der Flüssigkeit zwischen der ersten und der zweiten Kommunikationseinheit bestimmbar. Die Anzahl der Kommunikationseinheiten, welche in der Prozessanlage angeordnet sind, hängt beispielsweise von deren Größe und/oder vom Prozess ab.A further advantageous embodiment of the invention provides that the device has at least one first communication unit and at least one second communication unit, which the sensor passes in a predetermined path, so that from the time duration, which passes between passing the first communication unit and passing the second communication unit is, the flow rate of the liquid can be determined. Since the sensor is moved along with the liquid, the speed of the liquid in this section of the process plant is also determined by the determination of the speed of the sensor over the time required for the sensor to pass from a first to a second communication unit. Furthermore, the flow direction of the liquid between the first and the second communication unit can be determined by the second communication unit. The number of communication units which are arranged in the process plant depends, for example, on their size and / or on the process.

Insbesondere bei weit ausgedehnten Prozessanlagen und/oder bei Rohrleitungen großer Länge ist das Vorhandensein von mehreren Kommunikationseinheiten vorteilhaft, da auf diese Weise zudem die Messdaten, welche der Sensor aufnimmt, häufiger auslesbar sind als wenn nur eine Kommunikationseinheit in der kompletten Prozessanlage vorhanden wäre.In particular, in the case of extensive process plants and / or long-length pipelines, the presence of a plurality of communication units is advantageous since, in this way, the measurement data which the sensor picks up can be read more frequently than if only one communication unit were present in the complete process plant.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor im Wesentlichen von rotationssymmetrischer Gestalt. Beispielsweise ist der Sensor eine Kugel oder ein Ellipsoid.According to a preferred embodiment, the sensor is substantially of rotationally symmetrical shape. For example, the sensor is a sphere or an ellipsoid.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung handelt es sich bei der Prozessgröße um einen pH-Wert, ein Redox-Potential, eine Leitfähigkeit, eine Temperatur oder eine Trübung der Flüssigkeit, oder eine Konzentration eines Stoffes in der Flüssigkeit. Es versteht sich von selbst, dass diese Aufzählung nicht abschließend ist.In a preferred embodiment of the invention, the process variable is a pH, a redox potential, a conductivity, a temperature or a turbidity of the liquid, or a concentration of a substance in the liquid. It goes without saying that this list is not exhaustive.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following figures.

In den Figuren wird von dem Sensor und der Kommunikationseinheit gesprochen.The figures speak of the sensor and the communication unit.

1 zeigt einen kugelförmig ausgestalteten erfindungsgemäßen Sensor; 1 shows a spherically configured inventive sensor;

2 zeigt eine erfindungsgemäße Kommunikationseinheit mit einem Sensor; 2 shows a communication unit according to the invention with a sensor;

3 zeigt eine Kommunikationseinheit mit einer Ein- und Ausschleusvorrichtung. 3 shows a communication unit with an input and output device.

In 1 ist ein kugelförmiger Sensor 1 mit einer Öffnung 16 im Gehäuse 14 dargestellt. Die Öffnung 16 ist hierbei in Form einer sacklochartigen Ausnehmung ausgestaltet, wobei der Boden der Ausnehmung von dem Sensorelement 11 gebildet wird. Die Flüssigkeit, welche den Sensor 1 während des Einsatzes in der Prozessanlage umgibt, dringt somit nur bis zu dem Sensorelement 11 vor, während die übrigen Elemente des Sensors 1 im Gehäuse 14 vor der Flüssigkeit geschützt sind. In einer alternativen, hier nicht dargestellten Variante ist die Öffnung 16 im Gehäuse 14 des Sensors 1 durch ein durchsichtiges Fenster verschlossen, wobei es sich bei dem Material des Fensters beispielsweise um ein Glas oder einen Kunststoff handelt. Das Gehäuse 14 des Sensors 1 ist ebenfalls komplett oder teilweise aus einem für Magnetfelder durchlässigen Material gefertigt, beispielsweise komplett aus Kunststoff. Die Form des Sensors 1 ist so gewählt, dass dieser gute Strömungseigenschaften besitzt und robust gegenüber Beschädigungen ist. Neben einer Kugel ist beispielsweise ein Ellipsoid oder ein anderer rotationssymmetrischer Körper geeignet, wobei dieser bevorzugt keine Ecken aufweist.In 1 is a spherical sensor 1 with an opening 16 in the case 14 shown. The opening 16 is configured here in the form of a blind hole-like recess, wherein the bottom of the recess of the sensor element 11 is formed. The liquid, which is the sensor 1 during use in the process plant, thus penetrating only up to the sensor element 11 before, while the remaining elements of the sensor 1 in the case 14 are protected from the liquid. In an alternative, not shown variant, the opening 16 in the case 14 of the sensor 1 closed by a transparent window, wherein it is the material of the window, for example, a glass or a plastic. The housing 14 of the sensor 1 is also completely or partially made of a magnetic field permeable material, for example, completely made of plastic. The shape of the sensor 1 is chosen so that it has good flow characteristics and is robust against damage. In addition to a sphere, for example, an ellipsoid or another rotationally symmetrical body is suitable, wherein this preferably has no corners.

Das Sensorelement 11 ist mit der ersten Elektronikeinheit 12 verbunden, in welcher die vom Sensorelement 11 aufgenommenen Messdaten zumindest gespeichert und gegebenenfalls ausgewertet oder komprimiert werden. Bevorzugt sind in der Elektronikeinheit 12 darüber hinaus Parameter zur Kalibrierung des Sensorelements 11 gespeichert. Über die erste Spulenanordnung 13 sind die in der Elektronikeinheit 12 gespeicherten Messdaten auslesbar, wobei hierzu der Kontakt mit einer Spulenanordnung einer Auslesevorrichtung notwendig ist. Die erste Spulenanordnung 13 besteht im einfachsten Fall aus einer einzelnen ringförmigen Spule. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls möglich. Beispielsweise kann die erste Spulenanordnung 13 aus mehreren ringförmigen Spulen unterschiedlicher Orientierung aufgebaut sein, sodass die in der Elektronikeinheit 12 gespeicherten Daten unabhängig von der Lage des Sensors 1 innerhalb einer beispielsweise ringförmigen Sekundärspule übertragen werden können.The sensor element 11 is with the first electronic unit 12 connected, in which the sensor element 11 recorded measured data at least stored and optionally evaluated or compressed. Preferred are in the electronics unit 12 In addition, parameters for calibration of the sensor element 11 saved. About the first coil arrangement 13 are those in the electronics unit 12 stored measured data readable, for which purpose the contact with a coil assembly of a read-out device is necessary. The first coil arrangement 13 in the simplest case consists of a single annular coil. However, other embodiments are also possible. For example, the first coil arrangement 13 be constructed of a plurality of annular coils of different orientation, so that in the electronics unit 12 stored data regardless of the location of the sensor 1 can be transmitted within an example annular secondary coil.

Durch den Energiespeicher 15 sind die Elektronikeinheit 12 sowie das Sensorelement 11 während der Aufnahme von Messdaten bzw. während des Einsatzes in der Prozessanlage autark mit Energie versorgt. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise ein Akku, der über die induktive Schnittstelle wieder aufladbar ist. Die mit dem Sensorelement 11 zu bestimmende Prozessgröße ist nicht auf eine einzelne Prozessgröße beschränkt. In Abhängigkeit der Ausgestaltung des Sensors 1 und/oder des Sensorelementes 11 ist eine Messung mehrerer unterschiedlicher Prozessgrößen mit demselben Sensor 1 ebenfalls möglich. Beispielsweise ist der kugelförmige Sensor 1 mit gegenüberliegenden Öffnungen 16 ausgestattet, wobei hinter den Öffnungen 16 je ein Sensorelement 11 zur Bestimmung einer gewünschten Prozessgröße angeordnet ist. Through the energy storage 15 are the electronics unit 12 as well as the sensor element 11 supplied with energy during recording of measurement data or during use in the process plant. The energy storage 12 is for example a battery that is rechargeable via the inductive interface. The with the sensor element 11 The process variable to be determined is not limited to a single process variable. Depending on the design of the sensor 1 and / or the sensor element 11 is a measurement of several different process variables with the same sensor 1 also possible. For example, the spherical sensor 1 with opposite openings 16 equipped, being behind the openings 16 one sensor element each 11 is arranged to determine a desired process size.

2 offenbart eine bevorzugte Ausgestaltung der Kommunikationseinheit 2 zur Übertragung von Daten und/oder Energie zwischen dem Sensor 1 und einer übergeordneten Einheit. Die Kommunikationseinheit 2 umfasst hierzu eine zweite Elektronikeinheit 22, sowie eine zweite Spulenanordnung 23, welche mit der ersten Spulenanordnung 13 des Sensors 1 eine kontaktlose Schnittstelle bildet. Die Kommunikationseinheit 2 umfasst weiterhin ein Rohrsegment 21, welches in eine Rohrleitung 3, die Bestandteil der Prozessanlage ist, eingebracht ist. Um die induktive Kopplung zwischen der ersten Spulenanordnung 13 und der zweiten Spulenanordnung 23 zu ermöglichen ist das Rohrsegment 21 zumindest abschnittsweise aus einem Material gefertigt, welches durchlässig für Magnetfelder ist. Das Rohrsegment 21 ist also beispielsweise komplett aus Kunststoff gefertigt oder ist ein Stahlrohr, welches einen oder mehrere Abschnitte aus einem Magnetfelddurchlässigen Material aufweist. Die zweite Spulenanordnung 23 ist beispielsweise ein spiralförmig um das Rohrsegment 21 gewickelter Draht, wobei das Rohrsegment 21 vollständig oder teilweise von der zweiten Spulenanordnung 23 umschlossen ist. Alternativ besteht die zweite Spulenanordnung 23 aus mehreren Spulenpaaren, welche derart um das Rohrsegment 21 angeordnet sind, dass die induktive Schnittstelle bei nahezu beliebiger Lage des Sensors 1 innerhalb des Rohrsegments 21 der Kommunikationseinheit 2 hergestellt ist. 2 discloses a preferred embodiment of the communication unit 2 for transmitting data and / or energy between the sensor 1 and a parent unit. The communication unit 2 For this purpose, a second electronic unit is included 22 , and a second coil arrangement 23 , which with the first coil arrangement 13 of the sensor 1 forms a contactless interface. The communication unit 2 further comprises a pipe segment 21 which is in a pipeline 3 , which is part of the process plant, is introduced. To the inductive coupling between the first coil assembly 13 and the second coil assembly 23 to enable the pipe segment 21 at least partially made of a material which is permeable to magnetic fields. The pipe segment 21 Thus, for example, is completely made of plastic or is a steel tube, which has one or more sections of a magnetic field-permeable material. The second coil arrangement 23 is, for example, a spiral around the pipe segment 21 wound wire, the pipe segment 21 completely or partially from the second coil assembly 23 is enclosed. Alternatively, there is the second coil arrangement 23 from a plurality of coil pairs, which in such a way around the pipe segment 21 are arranged, that the inductive interface in almost any position of the sensor 1 within the pipe segment 21 the communication unit 2 is made.

Fakultativ umfasst die Kommunikationseinheit 2 eine Aufhalte-/Freigabevorrichtung 4, welche dazu dient, den Sensor 1 in dem Rohrsegment 21 solange festzuhalten, bis der Transfer von Daten oder Energie abgeschlossen ist. Dies ist beispielsweise durch Halteelemente 42 in Form von Klappen realisiert, welche im Ruhezustand an der Innenwand des Rohrsegmentes 21 anliegen und bei Bedarf ausgeklappt werden, sodass der Durchmesser des Rohrsegments 21 derart verringert wird, dass der Sensor 1 die Aufhalte-/Freigabevorrichtung 4 nicht passieren kann. Zur Steuerung der Halteelemente 42 ist entweder die zweite Elektronikeinheit 22 oder eine separate Steuereinheit 41 für die Aufhalte-/Freigabevorrichtung 4 vorgesehen. Die Gestaltung der Aufhalte-/Freigabevorrichtung 4 ist nicht auf die dargestellte Ausgestaltung mit Klappen als Halteelemente 42 beschränkt.Optionally, the communication unit comprises 2 a containment / release device 4 which serves the sensor 1 in the pipe segment 21 until the transfer of data or energy has been completed. This is for example by holding elements 42 realized in the form of flaps, which at rest on the inner wall of the pipe segment 21 abut and be unfolded as needed, so that the diameter of the pipe segment 21 is reduced so that the sensor 1 the containment / release device 4 can not happen. For controlling the retaining elements 42 is either the second electronics unit 22 or a separate control unit 41 for the containment / release device 4 intended. The design of the containment / release device 4 is not on the illustrated embodiment with flaps as holding elements 42 limited.

3 zeigt das Rohrsegment 21 einer Kommunikationseinheit 2 mit nachfolgender Ein-/Ausschleusvorrichtung 5, über welche der Sensor 1 aus dem Prozess ausbringbar oder in den Prozess einbringbar ist. Die Ein-/Ausschleusvorrichtung 5 weist zwei Rohrabschnitte 51 auf, wobei jeweils ein Rohrabschnitt 51 in einem spitzen Winkel in bzw. gegen die Fliessrichtung relativ zur Rohrleitung 3 angeordnet ist. Es ist hierbei von untergeordneter Rolle, wie die beiden Rohrabschnitte 51 relativ zueinander angeordnet sind, d. h. in welchem Abstand zueinander und auf welcher Seite der Rohrleitung 3. Die Rohrabschnitte 51 sind jeweils durch eine mechanisch oder elektrisch bewegbare Klappe 53 gegenüber der Rohrleitung 3 verschlossen, welche nur dann geöffnet wird, wenn der Sensor 1 in die Rohrleitung 3 ein- oder auszubringen ist. Die Steuerung der Klappen 53 erfolgt bevorzugt über eine Steuereinheit 52 der Ein-/Ausschleusvorrichtung 5, wobei die Steuereinheit 52 in die zweite Elektronikeinheit 22 der Kommunikationseinheit 2 integriert sein kann. Die Steuereinheit 52 kann jedoch auch getrennt von der zweiten Elektronikeinheit 22 vorliegen, insbesondere dann, wenn sich die Ein-/Ausschleusvorrichtung 5 nicht an das Rohrsegment 21 der Kommunikationseinheit 2 anschließt, sondern in einem anderen Bereich der Prozessanlage angeordnet ist. 3 shows the pipe segment 21 a communication unit 2 with subsequent input / output device 5 over which the sensor 1 can be brought out of the process or introduced into the process. The input / output device 5 has two pipe sections 51 on, each with a pipe section 51 at an acute angle in or against the direction of flow relative to the pipeline 3 is arranged. It is of secondary importance here, as are the two pipe sections 51 are arranged relative to each other, ie at what distance from each other and on which side of the pipeline 3 , The pipe sections 51 are each by a mechanically or electrically movable flap 53 opposite the pipeline 3 closed, which is only opened when the sensor 1 into the pipeline 3 to be brought in or out. The control of the flaps 53 preferably takes place via a control unit 52 the input / output device 5 , wherein the control unit 52 in the second electronics unit 22 the communication unit 2 can be integrated. The control unit 52 However, it can also be separated from the second electronics unit 22 exist, especially when the input / output device 5 not to the pipe segment 21 the communication unit 2 but is arranged in another area of the process plant.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Anzahl an Sensoren 1 und an Kommunikationseinheiten 2 keineswegs auf eins beschränkt ist, sondern in Abhängigkeit der Anwendung eine beliebige Anzahl an Sensoren 1 und Kommunikationseinheiten 2 in die Prozessanlage einbringbar sind. So ist beispielsweise eine Prozessanlage mit nur einer Kommunikationseinheit 2, jedoch mit zwei oder mehr Sensoren 1 denkbar.It should be noted at this point that the number of sensors 1 and at communication units 2 is by no means limited to one but, depending on the application, any number of sensors 1 and communication units 2 can be introduced into the process plant. For example, a process plant with only one communication unit 2 but with two or more sensors 1 conceivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensorsensor
1111: Sensorelementsensor element
1212: Erste ElektronikeinheitFirst electronic unit
1313: Erste SpulenanordnungFirst coil arrangement
1414: Gehäusecasing
1515: Energiespeicherenergy storage
1616: Öffnungopening
22: Kommunikationseinheitcommunication unit
2121: Rohrsegmentpipe segment
2222: Zweite ElektronikeinheitSecond electronic unit
2323: Zweite SpulenanordnungSecond coil arrangement
33: Rohrleitungpipeline
44: Aufhalte-/FreigabevorrichtungContainment / release device
4141: Steuereinheitcontrol unit
4242: Halteelementretaining element
55: Ein-/AusschleusvorrichtungInput / reject device
5151: Rohrabschnittpipe section
5252: Steuereinheitcontrol unit
5353: Klappeflap

Claims

Device for determining a physical or chemical process variable of a liquid in a process plant, which comprises at least one pipeline ( 3 ), in which the liquid at least temporarily flows, comprising at least one sensor ( 1 ) and at least one communication unit ( 2 ), whereby the sensor ( 1 ) at least one sensor element ( 11 ) for receiving measurement data representing the process variable, a first electronic unit ( 12 ) for storing the with the sensor element ( 11 ) and a first coil arrangement ( 13 ) comprising at least a first coil, the communication unit ( 2 ) a second electronic unit ( 22 ) and a second coil arrangement ( 23 ) comprising at least one second coil, and wherein the first coil arrangement ( 13 ) and the second coil arrangement ( 23 ) form an inductive interface, which the transmission of the measured data from the sensor ( 1 ) to the communication unit ( 2 ) and / or the transmission of energy from the communication unit ( 2 ) to the sensor ( 1 ), characterized in that the sensor ( 1 ) is freely movable in the liquid, that the sensor ( 1 ) a closed housing ( 14 ), which at least partially comprises a material which is permeable to magnetic fields, that the sensor ( 1 ) an energy store ( 15 ) containing the power supply of the sensor element ( 11 ) and the first electronic unit ( 12 ) ensures that the communication unit ( 2 ) a pipe segment ( 21 ), which in the pipeline ( 3 ) is inserted, and which at least in a partial region comprises a material which is permeable to magnetic fields, and that the first coil arrangement ( 13 ) and the second coil arrangement ( 23 ) are configured such that the inductive interface is made at least temporarily when the sensor ( 1 ) in the pipe segment ( 21 ) is located.

Device according to claim 1, characterized in that the housing ( 14 ) of the sensor ( 1 ) at least one opening ( 16 ), over which the sensor element ( 11 ) for receiving the measurement data in physical and / or optical contact with the liquid, wherein the opening ( 16 ) is designed such that an ingress of the liquid into the sensor ( 1 ) is prevented.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the communication unit ( 2 ) has a holding / release device (4), which the sensor ( 1 ) for transmitting parameterization data and / or energy and / or measurement data in the pipe segment ( 21 ) of the communication unit ( 2 ) and which the sensor ( 1 ) is released again when the transmission of the parameterization data and / or the energy and / or the measured data has been completed.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the second coil arrangement ( 23 ) is configured such that the transmission of the measured data and / or the energy is made possible while the sensor ( 1 ) through the pipe segment ( 21 ) emotional.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pipeline ( 3 ) has an escape channel which is substantially parallel to the pipe segment ( 21 ) of the communication unit ( 2 ) and which is designed such that an entry of the sensor ( 1 ) is prevented in the escape channel and that the liquid at least then flows through the escape channel when the sensor ( 1 ) in the pipe segment ( 21 ) of the communication unit ( 2 ) is located.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the communication unit ( 2 ) via an input and / or ejection device ( 5 ), over which the sensor ( 1 ) can be introduced into the process installation and / or can be brought out of the process installation.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one first sensor ( 1 ) and a second sensor ( 1' ) are introduced into the process plant, and that the first sensor ( 1 ) and the second sensor ( 1' ) record redundant measurement data or record measurement data at different points in the process plant at a time of measuring data acquisition.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the device comprises at least a first communication unit ( 2 ) and at least one second communication unit ( 2 ' ), which the sensor ( 1 ) passes in a predetermined way, so that from the time duration which passes between the passage of the first communication unit ( 2 ) and the Passing the second communication unit ( 2 ' ), the flow velocity of the liquid can be determined.

Device according to claim 1, characterized in that the sensor ( 1 ) is of rotationally symmetrical shape.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it is the process variable to a pH, a redox potential, a conductivity, a temperature or a turbidity of the liquid, or a concentration of a substance in the liquid.